Theorie des magnetokalorischen Effekts

Die steigende Nachfrage nach energieeffizienten und umweltfreundlichen Technologien treibt die Suche nach nachhaltigen Alternativen zur herkömmlichen Gaskompressionskühlung voran. Eine der vielversprechendsten Lösungen ist die magnetische Kühlung, bei der spezielle Materialien - magnetokalorische Materialien - verwendet werden, die sich erwärmen oder abkühlen, wenn sie einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt werden. Dieser Effekt, der als magnetokalorischer Effekt (MCE) bezeichnet wird, ist in der Nähe der Phasenübergangstemperatur eines Materials, bei der sich sein magnetischer Zustand ändert, am stärksten. Magnetokalorische Materialien bieten ein großes Potenzial nicht nur für die Haushalts- oder Industriekühlung bei Raumtemperatur, sondern auch für Anwendungen im Niedrig- und Tiefsttemperaturbereich, wie z. B. die Wasserstoffverflüssigung oder Raumfahrttechnologien. Zwar gibt es bereits erste funktionierende Prototypen magnetischer Kühlschränke, doch bis die Technologie praktisch wird und sich auf breiter Basis durchsetzt, sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Ein Hauptproblem ist der Bedarf an effizienteren Materialien, die eine stärkere Kühlwirkung haben, mit niedrigeren Magnetfeldern arbeiten und in verschiedenen Temperaturbereichen eingesetzt werden können. Bislang beruhte die Suche nach solchen Materialien weitgehend auf Versuch und Irrtum und chemischer Intuition. Mit der zunehmenden Komplexität der Materialzusammensetzungen wird diese Methode jedoch immer untauglicher. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines universellen theoretischen Modells, mit dem das magnetokalorische Verhalten von Materialien vorhergesagt und erklärt werden kann, um die Suche nach neuen Kandidaten zu erleichtern. Grundlegende thermodynamische Beziehungen, die Entropie, Temperaturänderung und Wärmekapazität mit Temperaturableitungen der freien Gibbs-Energie in Beziehung setzen, bilden die Grundlage für eine quantitative Theorie der MCE. Das Modell berücksichtigt die Beiträge elastischer, magnetischer und elektronischer Teilsysteme sowie den Einfluss externer Stimuli wie Druck und Spannung. Ziel ist es, ein klares, physikalisch fundiertes Modell zu entwickeln, das erklärt, wie verschiedene Faktoren die Leistung eines Materials beeinflussen und zu Ineffizienzen wie Energieverlusten aufgrund von Hysterese führen. Das Projekt zielt auch darauf ab, das Verständnis der grundlegenden Physik der Phasenübergängen zu vertiefen und die kritischen Punkte zu bestimmen, an denen eine Art von Phasenübergang in eine andere übergeht. Die theoretischen Ergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen und in Zusammenarbeit mit führenden Forschungslabors, die an magnetokalorischen Materialien arbeiten, validiert. Letztendlich zielt diese Arbeit darauf ab, die Entwicklung neuer, effizienter Kühlmaterialien zu beschleunigen und den Übergang zu umweltfreundlicheren, nachhaltigeren Kühltechnologien zu unterstützen. Diese Forschung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine allgemeine Methode anbietet, die für verschiedene Arten von Phasenübergängen funktioniert und Wissenschaftlern nicht nur hilft, bestehende Materialien besser zu verstehen, sondern auch neue, effektivere zu entdecken.